من أهم أقسام الفيزياء الحديثة التفاعلات الكهرومغناطيسية وجميع التعاريف المتعلقة بها. هذا هو التفاعل الذي يفسر كل الظواهر الكهربائية. تغطي نظرية الكهرباء العديد من المجالات الأخرى ، بما في ذلك البصريات ، لأن الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي. في هذه المقالة سنحاول شرح جوهر التيار الكهربائي والقوة المغناطيسية بلغة سهلة ومفهومة.
المغناطيسية هي أساس الأساسات
كأطفال ، أظهر لنا الكبار العديد من الحيل السحرية باستخدام المغناطيس. هذه التماثيل المذهلة ، التي تنجذب إلى بعضها البعض ويمكن أن تجذب الألعاب الصغيرة ، تسعد دائمًا عيون الأطفال. ما هو المغناطيس وكيف تؤثر القوة المغناطيسية على الأجزاء الحديدية؟
شرح بلغة علمية ، عليك أن تلجأ إلى أحد القوانين الأساسية للفيزياء. وفقًا لقانون كولوم والنظرية النسبية الخاصة ، تؤثر قوة معينة على الشحنة ، والتي تتناسب طرديًا مع سرعة الشحنة نفسها (v). يسمى هذا التفاعلالقوة المغناطيسية.
الميزات المادية
بشكل عام ، يجب أن نفهم أن أي ظواهر مغناطيسية تحدث فقط عندما تتحرك الشحنات داخل الموصل أو في وجود التيارات فيها. عند دراسة المغناطيس والتعريف ذاته للمغناطيسية ، يجب أن نفهم أنهما مرتبطان ارتباطًا وثيقًا بظاهرة التيار الكهربائي. لذلك دعونا نفهم جوهر التيار الكهربائي
القوة الكهربائية هي القوة التي تعمل بين الإلكترون والبروتون. إنها عدديًا أكبر بكثير من قيمة قوة الجاذبية. تتولد عن طريق شحنة كهربائية ، أو بالأحرى عن طريق حركتها داخل الموصل. الرسوم ، بدورها ، من نوعين: موجبة وسالبة. كما تعلم ، تنجذب الجسيمات المشحونة إيجابياً إلى الجسيمات سالبة الشحنة. ومع ذلك ، فإن الرسوم من نفس العلامة تميل إلى صد بعضها البعض.
لذلك ، عندما تبدأ هذه الشحنات بالتحرك في الموصل ، ينشأ تيار كهربائي فيه ، والذي يفسر على أنه نسبة كمية الشحنة المتدفقة عبر الموصل في ثانية واحدة. القوة المؤثرة على موصل مع تيار في مجال مغناطيسي تسمى قوة الأمبير وتوجد وفقًا لقاعدة "اليد اليسرى".
بيانات تجريبية
يمكنك مواجهة تفاعل مغناطيسي في الحياة اليومية عند التعامل مع المغناطيس الدائم أو المحاثات أو المرحلات أو المحركات الكهربائية. كل واحد منهم لديه مجال مغناطيسي غير مرئي للعين. لا يمكن تتبعه إلا من خلال عمله ، وهويؤثر على الجسيمات المتحركة والأجسام الممغنطة.
القوة المؤثرة على الموصل الحامل للتيار في مجال مغناطيسي تمت دراستها ووصفها من قبل الفيزيائي الفرنسي أمبير. لم يتم تسمية هذه القوة باسمه فقط ، ولكن أيضًا مقدار القوة الحالية. في المدرسة ، يتم تعريف قوانين أمبير على أنها قواعد اليد "اليسرى" و "اليمنى".
خصائص المجال المغناطيسي
يجب أن نفهم أن المجال المغناطيسي لا يحدث دائمًا حول مصادر التيار الكهربائي فحسب ، بل أيضًا حول المغناطيس. عادة ما يتم تصويره بخطوط القوة المغناطيسية. من الناحية الرسومية ، يبدو الأمر كما لو تم وضع ورقة على مغناطيس ، وتم سكب برادة حديد في الأعلى. سيبدون تمامًا مثل الصورة أدناه.
في العديد من الكتب الشعبية في الفيزياء ، يتم إدخال القوة المغناطيسية نتيجة الملاحظات التجريبية. تعتبر قوة أساسية منفصلة للطبيعة. هذه الفكرة خاطئة ؛ في الواقع ، إن وجود قوة مغناطيسية ينبع من مبدأ النسبية. غيابها ينتهك هذا المبدأ.
لا يوجد شيء أساسي حول القوة المغناطيسية - إنها مجرد نتيجة نسبية لقانون كولوم.
باستخدام المغناطيس
وفقًا للأسطورة ، في القرن الأول الميلادي في جزيرة مغنيسيا ، اكتشف الإغريق القدماء أحجارًا غير عادية لها خصائص مذهلة. لقد جذبوا لأنفسهم أي شيء مصنوع من الحديد أو الفولاذ. بدأ الإغريق في إخراجهم من الجزيرة ودراسة ممتلكاتهم. ولما سقطت الحجارة في يدي الشارعالسحرة ، لقد أصبحوا مساعدين لا غنى عنهم في جميع عروضهم. باستخدام قوى الأحجار المغناطيسية ، تمكنوا من إنشاء عرض رائع بالكامل جذب العديد من المشاهدين.
مع انتشار الأحجار في جميع أنحاء العالم ، بدأت الأساطير والأساطير المختلفة تدور حولهم. بمجرد أن انتهى الأمر بالحجارة في الصين ، حيث تم تسميتها على اسم الجزيرة التي تم العثور عليها فيها. أصبح المغناطيس موضوع دراسة جميع العلماء العظماء في ذلك الوقت. لقد لوحظ أنه إذا قمت بوضع حجر حديد مغناطيسي على عوامة خشبية وقمت بتثبيته ثم قلبه ، فسوف يحاول العودة إلى وضعه الأصلي. ببساطة ، القوة المغناطيسية المؤثرة عليه ستحول خام الحديد بطريقة معينة.
باستخدام خاصية المغناطيس هذه ، اخترع العلماء البوصلة. على شكل دائري مصنوع من الخشب أو الفلين ، تم رسم قطبين رئيسيين وتركيب إبرة مغناطيسية صغيرة. تم إنزال هذا التصميم في وعاء صغير مملوء بالماء. بمرور الوقت ، تحسنت نماذج البوصلة وأصبحت أكثر دقة. يتم استخدامها ليس فقط من قبل البحارة ، ولكن أيضًا من قبل السياح العاديين الذين يحبون استكشاف المناطق الصحراوية والجبلية.
تجارب مثيرة للاهتمام
كرس العالم هانز أورستد حياته كلها تقريبًا للكهرباء والمغناطيس. ذات يوم ، خلال محاضرة في الجامعة ، أظهر لطلابه التجربة التالية. مرر تيارًا عبر موصل نحاسي عادي ، بعد فترة من تسخين الموصل وبدأ في الانحناء. كانت ظاهرة حراريةالتيار الكهربائي. واصل الطلاب هذه التجارب ، ولاحظ أحدهم أن للتيار الكهربائي خاصية أخرى مثيرة للاهتمام. عندما تدفق التيار في الموصل ، بدأ سهم البوصلة المجاور ينحرف شيئًا فشيئًا. بدراسة هذه الظاهرة بمزيد من التفصيل ، اكتشف العالم ما يسمى بالقوة المؤثرة على موصل في مجال مغناطيسي.
تيارات أمبير في المغناطيس
حاول العلماء العثور على شحنة مغناطيسية ، لكن لم يتم العثور على قطب مغناطيسي معزول. ويفسر ذلك حقيقة أنه ، على عكس الكهرباء ، لا توجد شحنات مغناطيسية. بعد كل شيء ، وإلا فسيكون من الممكن فصل شحنة الوحدة ببساطة عن طريق فصل أحد طرفي المغناطيس. ومع ذلك ، فإن هذا يخلق قطبًا معاكسًا جديدًا في الطرف الآخر.
في الواقع ، أي مغناطيس هو ملف لولبي ، على سطحه تدور التيارات داخل الذرة ، تسمى تيارات أمبير. اتضح أن المغناطيس يمكن اعتباره قضيبًا معدنيًا يدور من خلاله تيار مباشر. ولهذا السبب فإن إدخال قلب حديدي في الملف اللولبي يزيد المجال المغناطيسي بشكل كبير.
طاقة المغناطيس أو EMF
مثل أي ظاهرة فيزيائية ، يحتوي المجال المغناطيسي على الطاقة اللازمة لتحريك الشحنة. هناك مفهوم EMF (القوة الدافعة الكهربائية) ، ويتم تعريفه على أنه العمل لنقل شحنة الوحدة من النقطة A0إلى النقطة A1.
تم وصف المجال الكهرومغناطيسي بواسطة قوانين فاراداي ، والتي يتم تطبيقها في ثلاثة أنواع مختلفة فيزيائيةالمواقف:
- تتحرك الدائرة التي تم إجراؤها في المجال المغناطيسي المتولد. في هذه الحالة يتحدثون عن emf المغناطيسي.
- الكفاف في حالة سكون ، لكن مصدر المجال المغناطيسي نفسه يتحرك. هذه بالفعل ظاهرة emf كهربائية.
- أخيرًا ، الدائرة ومصدر المجال المغناطيسي ثابتان ، لكن التيار الذي يخلق المجال المغناطيسي يتغير.
عدديًا ، EMF وفقًا لصيغة فاراداي هو: EMF=W / q.
وبالتالي ، فإن القوة الدافعة الكهربائية ليست قوة بالمعنى الحرفي ، حيث تُقاس بالجول لكل كولوم أو بالفولت. اتضح أنه يمثل الطاقة التي يتم نقلها إلى إلكترون التوصيل عند تجاوز الدائرة. في كل مرة ، في الجولة التالية من الإطار الدوار للمولد ، يكتسب الإلكترون طاقة مساوية عدديًا لـ EMF. لا يمكن نقل هذه الطاقة الإضافية أثناء تصادم الذرات في السلسلة الخارجية فحسب ، بل يمكن أيضًا إطلاقها في شكل حرارة جول.
قوة لورنتز والمغناطيس
يتم تحديد القوة المؤثرة على التيار في المجال المغناطيسي بالصيغة التالية: q| v || B |sin a (ناتج شحنة المجال المغناطيسي ، وحدات السرعة لنفس الجسيم ، متجه الحث الميداني وجيب الزاوية بين اتجاهاتهم). القوة التي تعمل على شحنة وحدة متحركة في مجال مغناطيسي تسمى قوة لورنتز. هناك حقيقة مثيرة للاهتمام وهي أن قانون نيوتن الثالث غير صالح لهذه القوة. إنه يخضع فقط لقانون الحفاظ على الزخم ، ولهذا السبب يجب حل جميع المشكلات في العثور على قوة لورنتز بناءً على ذلك. لنكتشف كيفيمكنك تحديد قوة المجال المغناطيسي.
مشاكل وأمثلة للحلول
لإيجاد القوة التي تنشأ حول موصل مع التيار ، تحتاج إلى معرفة عدة كميات: الشحنة وسرعتها وقيمة استقراء المجال المغناطيسي الناشئ. ستساعدك المشكلة التالية على فهم كيفية حساب قوة لورنتز.
حدد القوة المؤثرة على بروتون يتحرك بسرعة 10 مم / ثانية في مجال مغناطيسي باستقراء 0.2 درجة مئوية (الزاوية بينهما 90o، لأن الجسيم المشحون يتحرك عموديًا على خطوط الاستقراء). الحل هو إيجاد الشحنة. بالنظر إلى جدول الشحنات ، نجد أن شحنة البروتون 1.610-19Cl. بعد ذلك ، نحسب القوة باستخدام الصيغة: 1 ، 610-19 100 ، 21 (جيب الزاوية اليمنى هو 1)=3 ، 210- 19نيوتن.
